探究苯乙烯裝置三聯(lián)換熱器泄漏成因

周高彬(中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江 寧波 315812)

1 實況介紹

三聯(lián)換熱器為脫氫單元的重要設備構成，其本體由3個換熱器[進/出料換熱器(TT-1202)、乙苯汽化器(TT-1201)與蒸汽發(fā)生器(TT-1203)]串聯(lián)而成，這便是三聯(lián)換熱器命名的依據(jù)。管程物料都應用，從上到下的流動順序：TT-1202→TT-1203→TT-1201，誘導粗苯乙烯降溫過程，TT-1203殼程為始源于高壓蒸汽罐(MS-1241)的鍋爐給水，殼上、下部上部進水、下部出水溫度分別能達到256℃、195℃。在正常狀態(tài)下，TT-1203管程下部出料溫度能達到268℃，工藝流程[1]如圖1所示 。

圖1 工藝流程圖

2016年3月，日常巡檢中發(fā)現(xiàn)TT-1203下部出料溫度降到199 ℃，經(jīng)數(shù)日后降低到108 ℃，到5月份時降到80 ℃，鑒于出料溫度持續(xù)降低的情況，可以初步認定是TT-1203發(fā)生了泄漏問題。由于殼程進水溫度相對較低，一旦發(fā)生泄漏問題以后，水進入管程與物料混合并進行熱量交換，抑制物料溫度明顯下降。另外，泄漏的過熱水(壓力4 300 kPa)壓力持續(xù)降低到30 kPa，伴隨發(fā)生了汽化反應，吸收了物料內(nèi)的部分熱量，這也是造成出口物料溫度顯著跌落的主要原因。另外，MS-1241正常進水量理應是33 t/h，到5月檢查時，發(fā)現(xiàn)其蒸汽量降到22 t/h，并且液位也有不斷降低趨勢。綜合以上異常狀況可以判斷TT-1203出現(xiàn)了泄漏問題，有部分水滲流到管程內(nèi)。2016年5月份停車檢查，證實以上做出的判斷結果是正確的。拆卸檢查TT-1203換熱器，發(fā)現(xiàn)其下管板角焊縫及管橋位置出現(xiàn)了100多處泄漏問題，管板自身嚴重受損，管板邊緣臨近殼體位置是泄漏點集中分布處，換熱器下側(cè)端也出現(xiàn)泄漏問題。

2 分析泄漏原因

通過過長裂紋樣貌，可以判斷出裂紋是冷裂紋，先出現(xiàn)在下管板與換熱管焊縫根部，在殼程蒸汽的沖刷作用下，裂紋的覆蓋面積有不斷擴增的趨勢，管板構造出現(xiàn)了嚴重損壞。鑒于裂紋集中分布在管板外周臨近殼體位置的情況，可以初步認定應力集中是造成以上部位形成裂紋的主因[2]。

(1)換熱管與上管板材的制造材料均以鉻鉬耐熱鋼為主，殼體與下管板的主要材料是碳鋼，和碳鋼相比較，鉻鉬耐熱鋼的熱膨脹系數(shù)更大，管板外周臨近殼體位置換熱管焊縫因受熱造成形成應力集中的現(xiàn)象更為嚴重，和管板、換熱管焊接殘余應力協(xié)同作用引起裂紋。

(2)本項目在運轉(zhuǎn)階段，是由外單位供給蒸汽，運行時意外停車13次，設備溫度上升、降低過程較快速進行，造成換熱管與殼體收縮不均勻，上、下管板均是固定端，管板外周臨近殼體位置應力集中更為嚴重，以上這種情況對裂紋生成、擴展過程起到了一定促進作用。

(3)因為管程操作溫度(399 ℃/299 ℃)與殼程操作溫度(256.1 ℃)差值將近100 ℃，高溫條件下運轉(zhuǎn)中形成較大溫差應力，并且會長期存在。

(4)在應力集中的作用下，鑒于碳鋼、鉻鉬耐熱鋼兩種材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)相差較大，后者的熱強度更高，故而在強度偏高的上管板與換熱管焊縫位置沒有出現(xiàn)泄漏問題，但是在強度最薄弱的下管板與換熱管焊縫、管橋位置，發(fā)生裂紋問題的概率更高。

(5)殼程、管程的實際操作壓力分別達到了4 300 kPa、31.7 kPa，內(nèi)外壓力相差100余倍，裂紋面積向外拓展且出現(xiàn)斷裂后，會被殼程壓進管程，在蒸汽沖刷作用下而形成沖刷腐蝕問題。沖刷腐蝕快速，對局部管橋形成貫穿性損害。

3 檢測狀況

3.1 宏觀檢查

利用宏觀檢測TT-1203下管板、管束的外觀，發(fā)現(xiàn)下管板換熱管角焊縫與管橋泄漏位置均存有厚度大概1 mm的鐵銹，清除雜物后能夠觀察到開裂位置形成了顯著的沖刷痕跡，管板邊緣臨近殼體處是裂痕的集中部位，部分裂紋已順著換熱管焊縫朝著管板上擴展，一些裂紋已貫穿到管橋之間，除了以上部位，其他位置沒有出現(xiàn)泄漏問題。檢查換熱管和管板兩者的連接接頭，兩者緊湊連接、貼脹較好。

3.2 滲透探傷檢測

探傷檢測TT-1203下管板換熱管角焊縫處，一共探查到158根換熱管根部出現(xiàn)250多處泄漏點位，一些已經(jīng)被沖刷腐蝕，很多裂紋出現(xiàn)直線延伸，一些裂紋呈現(xiàn)出支狀特征，被沖刷腐蝕的換熱管在泄漏換熱管中所占比例達到47.5%。

4 修復和檢測方案

因為本次檢修工期相對較緊張，設備本安置在三聯(lián)換熱器的最中間位置，沒有返廠進行檢查、修理的客觀條件。鑒于沖刷腐蝕歷時相對較長，下管板結構發(fā)生損害造成出現(xiàn)了十分嚴重的泄漏問題，并且由入孔進入高度僅有1.4 m的操作空間中開展檢修作業(yè)，焊接部位選定成仰臉，增加了操作難度。本次維修有關檢測、測評、焊接等工序執(zhí)行過程均符合國內(nèi)外壓力容器相關的法規(guī)及標準條款。擬定如下的修復方案[3]：

(1)滲透探傷檢查下管板。

(2)通過觀察發(fā)現(xiàn)存在沖刷作用、裂紋病害及泄露較嚴重的位置，通過現(xiàn)場實地取樣的方法截獲一小段管材的試樣(50 mm×15 mm)，歷經(jīng)化學元素分析、金相復膜檢測檢驗過程后，探究可能導致應力開裂、腐蝕的原因。在獲得相應結論以后，進行綜合論證。

(3)在項目現(xiàn)場輔助應用手砂輪和金屬磨頭磨除形成缺陷的位置，配合無損滲透探傷技術，確認缺陷被完全消除后，才可以采用適宜的方法修補缺陷，使其恢復至最初狀態(tài)。

(4)編制科學、合理的焊接工藝，為工人在項目場區(qū)進行焊接操作創(chuàng)造便利條件，以上過程中要督導工人嚴格依照焊接工藝規(guī)程操作。

(5)把缺陷細化成多個區(qū)域，缺陷修復時按照由難到簡、由大到小的原則進行，在每次修復工序結束后，利用配置好的肥皂水去檢測其滲漏情況。

(6)對MS-1241進行氣密性試驗檢測，并且要配合應用氦檢儀執(zhí)行氦檢過程。

4.1 悍接工藝

4.1.1 分析母材焊接性

通過閱讀ASME IIA篇，查獲MS-1241的材料構成情況，發(fā)現(xiàn)合金元素含量的占比相對較高，焊縫與熱影響區(qū)均是容易形成淬硬組織的主要部位，對氫引起的裂紋問題表現(xiàn)出較高的敏感性，如果接頭應力偏大時，形成冷裂紋的風險會顯著增加。

4.1.2 焊接方法和選擇適宜的焊材

為了能使焊接質(zhì)量得到一定保障，本課題決定采用鎢極氫弧焊，參照ASME鍋爐壓力容器手冊的建議，MS-1241投用過程中管程溫度最高能抵達399℃，故而選用鎳基焊絲ERNiCr-3作為焊材，這是在高溫條件下焊縫能維持較高強度的重要基礎[4]。

4.1.3 確定焊接工藝

焊接操作階段為了能減緩焊接焊的冷卻速率，降低焊縫與熱影響區(qū)的淬硬性，改善焊接接頭的抗裂性能，建議工人在正式開焊前對焊縫進行局部預熱處理，溫度要保持在150 ℃之上，焊縫兩側(cè)端的預熱范疇＞100 mm?？茖W設定焊接的具體層數(shù)，將實際缺陷深淺度設定為重要依據(jù)之一。建議配合使用小電流迅速多層多道焊，要求各條焊縫均要一次持續(xù)焊成。多層焊接環(huán)節(jié)中，應該加強對層間溫度的控制，確保其能始終高于預熱溫度，起焊之前預熱，要維持溫度＜200 ℃，進而規(guī)避焊接階段形成組織晶粒粗，進而弱化焊接接頭的機械性。焊接之前還應該清潔處理缺陷兩側(cè)＞50 mm區(qū)域中的銹蝕、油污等異物。焊接過程中，建議選擇直徑Φ2.4焊材鎢極，維持氫氣流量10～15 L/min氫氣純度維持99.99%左右。

4.2 檢測焊接情況

4.2.1 宏觀檢測

修復焊接結束后，徹底清理掉焊跡、焊渣、飛濺物等雜物，宏觀檢測焊縫與母材過渡圓滑狀況、焊縫表層裂紋生成、夾渣熔合以及氣孔形成等質(zhì)量缺陷問題，確保其質(zhì)量符合相關標準要求。

4.2.2 無損滲透探傷檢測

經(jīng)補焊處理以后，利用無損滲透探傷技術進行檢查，確保其質(zhì)量合格[5]。

4.2.3 耐壓、氣密性檢測

對MS-1241殼程開展耐壓性試驗(5.39 MPa)，認真檢查是否發(fā)生滲漏問題，確認其檢驗合格以后，確定其修復效果達標以后，二次進行無損滲透探傷檢測。MS-1241進行氣密性試驗(4.3 Mpa)，病添加適量氦氣配合氦檢儀氦檢測合格。

5 結語

歷經(jīng)以上修復檢測操作后，設備質(zhì)量合格，設備能較好的滿足既有工況條件，病出具了合格檢測報告?；仡櫛敬蔚难芯窟^程可以認定意外停車導致設備急劇降溫，在以上過程中形成嚴重的應力集中問題是引起裂紋、誘導裂紋拓展的主因。若能規(guī)范地實施以上修復方案，則能有效解除焊接缺陷問題，較好的滿足了設備短期內(nèi)正常、安全使用的現(xiàn)實需求。